JP4371607B2 - 光触媒反応装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、効果的、かつ安定的に放電する立体形状の放電電極と、その電極からの放電光（紫外線）と光触媒との関係を利用して、効率的に、かつ安定して物質を除去することのできる光触媒反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気中に含まれるダイオキシン類やNOx等の有害物質、汚水中の有害物質等による環境汚染が社会問題となっているのは周知の事実であり、これらの有害物質を効果的に取り除く手法の研究・開発が盛んに行われている。また近年では冷蔵庫内の腐敗ガスであるエチレンガス、シックハウス症候群の原因と言われるホルムアルデヒド、トルエン、キシレン、パラジクロロベンゼン、室内や車内のたばこ臭等、密閉された空間内の有害物質対策が問題となっている。
【０００３】
従来、上述した有害物質を取り除く手法の一例として、放電を用いた放電処理装置によるものや、光触媒を用いた光触媒反応装置によるものが知られている。
【０００４】
図１５は従来の光触媒反応装置の一例を示している。
【０００５】
この光触媒反応装置１０１は、図１５に示すように筐体１０２内に収納され、酸化チタンを担持する光触媒１０３と、この光触媒を挟んで対向配置された一対の薄膜状の電極１０４と、電極１０４に高電圧を印加させる高圧電源部１０５とを備え、電極１０４に印加された高電圧によって両電極１０４間に放電を発生させ、この放電によって発生した紫外線によって光触媒１０３（酸化チタンTiO2）を活性化させ、ガス中に含まれる有害物質を取り除く。このとき、電極１０４の放電により発生した紫外線によって活性化した光触媒１０３はヒドロキシラジカル（・OH）とスーパーオキサイドアニオン（・O２ −）を生成するが、そのうちのヒドロキシラジカルは強い酸化力があり、各物質の分子結合を分断することができる。このヒドロキシラジカルの酸化力を利用し、有害物質を化学反応により除去する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電極の放電光を利用した光触媒反応装置には以下のような問題があった。
【０００７】
従来使用されていた電極１０４は薄膜状であるために、有害物質のうち腐食性ガス、例えば硫化水素，亜硫酸，亜硝酸，塩素，アンモニア等の物質に対しては、電極が腐食されてしまい、耐久性に乏しかった。
【０００８】
また電極がいったん腐食されてしまうと、その腐食された部分では放電が行われなくなってしまい、電極全体で均一な放電光を発生させることができなくなっていた。腐食された部分が広がれば導通が遮断されてしまう部分が発生し、電極のある一部では光触媒を活性化させる程度の放電光を照射することができたが、他の部分では光触媒を活性化させるほどの放電光を照射することができないといったような“ムラ”を生じ、期待するような触媒効果を得ることができなかった。
【０００９】
さらに両電極１０４は薄膜状であるために、設置に関して不安定さがあった。触媒効果を効率的に得るためには、両電極１０４を平行状態に保つことが必要であるが、取り付け方法や流入する有害物質の状態、例えば流速が非常に早い場合や塵や埃等を多く含む場合には、設置場所のずれや電極の変形や破損等が起き、放電光を光触媒に安定して照射できない場合があった。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、効果的、かつ安定的に放電する立体形状の放電電極と、その放電電極からの放電光と光触媒との関係を利用して効率的に、かつ安定して有害物質を除去することのできる光触媒反応装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本願発明は、請求項１では、光触媒反応による脱臭、およびガス浄化を行う装置において、光触媒を三次元網目構造のセラミック基体に担持した少なくとも１つの光触媒モジュールと、該光触媒モジュールを挟持する一対の電極のうち少なくとも一方が、箔厚が１ｍｍ以下の導電性の箔によって正面および背面形状が配置間隔（セルサイズ）が５ｍｍ以上のハニカム状、または格子状に形成され、かつ正面から背面方向に所定の奥行き幅を有する電極本体と、前記電極本体の側面を覆う導電性の外枠とから構成される立体形状の放電電極である放電電極部とから構成されることを特徴としている。
【００１４】
請求項２では、請求項１に記載の光触媒反応装置において、光触媒モジュールの厚さは、光触媒の活性化に必要な１０−６Ｗ／ｃｍ２以上の発光強度をもつ放電光が、光触媒全体に渡って到達する距離以下であることを特徴としている。
【００１５】
請求項３では、請求項１に記載の光触媒反応装置において、前記光触媒モジュールと前記放電電極部とからなる単位構造体を複数個積層してなることを特徴としている。
【００１６】
請求項４では、請求項１または請求項３に記載の光触媒反応装置において、オゾン分解触媒部を具備していることを特徴としている。
【００１７】
請求項５では、請求項１乃至請求項４いずれか１項に記載の光触媒反応装置において、送風機を具備していることを特徴としている。
【００１８】
請求項６では、請求項１乃至請求項５いずれか１項に記載の光触媒反応装置において、気体流入部に除塵用のフィルターを具備していることを特徴としている。
【００１９】
請求項７では、 請求項１乃至請求項６いずれか１項に記載の光触媒反応装置において、１０ｋＨｚ以上の高周波交流電源を間欠動作させる高圧電源部を具備していることを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本願発明である光触媒反応装置について、図１から図７に基づき説明する。
【００２１】
＜第１の実施形態＞
まず図１および図２に基づき本願発明の光触媒反応装置の最小構成単位について説明する。図２は図１の光触媒反応装置の模式図である。
【００２２】
図１において光触媒反応装置１（図２中、光触媒反応装置１Ａ）は、単位構造体２とそれを収納する筐体７とから構成されている。筐体７は筒状の構造をしており、有害物質を含む気体が通過できるように流入口と排出口を有している。単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、一対のハニカム電極５は図示しない高圧電源部（図２中、高圧電源部８）に接続されている。
【００２３】
ハニカム電極５は、立体形状の電極であって、導電性の箔でハニカム状に形成され、正面および背面から見た形状がハニカム状になっている電極本体３と導電性外枠４とから構成され、正面から奥行き方向にかけてハニカム状に貫通しており、有害物質を含む気体が通過できるようになっている。電極本体３の側面は導電性外枠４で覆われており、電極の正面から背面方向に所定の奥行き幅を有している。
【００２４】
図２において、ハニカム電極５は高圧電源部８から供給される電力によって放電を行う。このハニカム電極５を構成する電極本体３と導電性外枠４には、硫化水素等の腐食性ガスに対して耐性のあるステンレスが用いられる。
【００２５】
放電によって発生した放電光のうち、１８５ｎｍの波長を持つ紫外線は大気中の酸素からオゾンを生成してしまう。オゾンは脱臭、脱色、殺菌、減菌作用を持ち、硫化水素やアンモニアのような有害物質を分解除去することもできるが、同時にその強い酸化力のために電極の金属も酸化してしまう。
【００２６】
また有害物質のうち腐食性ガス、例えば硫化水素，亜硫酸，亜硝酸，塩素，アンモニア等の物質によっても、電極は腐食されてしまうので、電極に用いられる金属には、耐食性のあるものや耐食性のコーティング処理を施したものが選定される必要がある。
【００２７】
電極本体３と導電性外枠４に用いられる材質には、ステンレスの他にもアルミニウム、銅等の金属にコーティング処理を施したものや、ハステロイ、白金、金等の耐食性の強い金属（合金）が上げられる。
【００２８】
なお、このハニカム電極５の場合、セルサイズが５ｍｍ以上であり、箔厚が１ｍｍ以下、望ましくは０．１から０．２ｍｍであることが必要とされる（その理由については後述）。
【００２９】
ハニカム電極５に挟持される光触媒モジュール６は、三次元網目構造のセラミック基体であり、基体表面に光触媒作用をもつ半導体TiO2の微粒子を担持している。また光触媒モジュール６の厚さは１５ｍｍ以下であることが必要とされる（その理由については後述）。
【００３０】
光触媒作用をもつ半導体微粒子には様々なものが上げられる。光触媒作用をもつ代表的な半導体は酸化チタンTiO2（anatase型,rutile型,brookite型）であるが、その他にもSrTiO3,ZnO,BaTiO3,V2O5,SnO2等の金属酸化物半導体や、Si,GaAs,CdS,ZnS等の単体半導体や化合物半導体が上げられる。
【００３１】
ハニカム電極５に電力を供給する高圧電源部８は設置環境によって様々な種類が考えられる。直流電源、Duty比０．５以下の短パルスを出力するパルス電源、周波数１０ｋＨｚ以上の交流電源等が上げられる。また各種類の高圧電源に波高値の５０〜９０％に相当する直流バイアスを重畳したり、間欠動作したりする機能を付加してもよい。
【００３２】
本願発明において高圧電源部８に直流電源を用いた場合、電源部構成が単純で済み装置コストを低く抑えることができる。また直流放電の場合、放電に伴う動作音が極めて小さく、静寂な動作が要求される場合では好ましい。
【００３３】
またパルス電源を用いた場合、直流動作に比べ大きなエネルギー投入を容易に行うことができ、装置の小型化が可能である。電源部構成が単純で済み装置コストを低く抑えることもできる。また直流放電に比べ投入エネルギーを大きくすることが容易であり、低価格、中規模の装置を構成する場合では好ましい。
【００３４】
また周波数１０ｋＨｚ以上の高周波交流電源を用いた場合、動作周波数の増加に伴い、投入エネルギーを増大することが可能であり、大きなエネルギー投入ができる。大容量の脱臭処理や高濃度の対象に対応する場合は有効な手法となる。
【００３５】
さらに直流バイアスを重畳した場合、パルス電源などを単独で用いる場合に比べパルス電圧を低減することができ、電源装置を小型化することができる。また、放電発生の元となる偶存電子の個数が安定するため、スパーク移行電圧のばらつきが少なくなり、安定動作が確保できる。
【００３６】
図１から図７の光触媒反応装置において、パルス電源あるいは交流電源を用いた場合、１パルスあたり、あるいは１周期あたりの放電入力エネルギーはガス組成、電極形状、電極間隔などの放電部パラメータにより一意的に定まってしまう。
【００３７】
１パルスまたは１周期あたりの放電入力エネルギーがＥ[Ｊ]で、繰返し周期がｒ[ｐｐｓ]または[Ｈｚ]ならば、投入電力はＥ×ｒ[Ｗ]で定義されるが、これを繰り返し数または周期によらず一定にするため、間欠動作を行う。
【００３８】
間欠動作に対する動作・非動作の比(変調度)は、必要となる投入電力をＰ、１パルス(周期)あたりの投入エネルギーがＥ、繰り返し数がＦなら、変調度は、
Ｐ／（Ｅ×Ｆ）
で示される。
【００３９】
投入電力１０[Ｗ]、１パルスあたりの投入エネルギーが５０[ｍＪ]、繰り返し数が２０[ｋＨｚ]なら、変調度は、
【数１】
１０／（５０×１０−３×２０×１０３）＝０．０１
となる。この場合、１秒あたり１０ミリ秒間だけ動作するようなモードが必要になる。
【００４０】
この動作モードは「１秒あたり１０ミリ秒動作」に限定されるものではなく、例えば「２秒に１度２０ミリ秒動作」や「１秒に２度５ミリ秒動作」等でもよい。
【００４１】
また直流電源を用いた場合も、投入電力は放電部パラメータによりほぼ一意的に決まるため、間欠動作を行うことにより、電圧を変化させることなく連続動作の場合よりも低電力で動作させることができる。
【００４２】
以上図１（図２）の構成において、高圧電源部８からハニカム電極５に高電圧が印加されると、ハニカム電極５は放電を開始し、この放電により発生した放電光（紫外線）は光触媒モジュール６に均一に照射され、光触媒を活性化させる。この活性化した光触媒は化学的に反応性に富んだヒドロキシラジカル（・OH）を生成し、さらに放電光によってオゾンが生成される。これら活性化学種のヒドロキシラジカル、オゾンと化学反応することによって単位構造体２に流入する有害物質は分解除去される。
【００４３】
この第１の実施形態では、ハニカム電極５は導電性外枠４で覆われることにより、また奥行き幅を持つことで従来の薄膜電極より耐食性が向上するため、電極全面に安定した均一の放電光を長期にわたり得ることができるという効果を奏する。
【００４４】
また機械的精度、強度を十分確保できるため、電極間の距離を長期にわたり一定に保つことができるので、放電光を均一に、かつ効果的に光触媒モジュール６に照射することができ、従来の薄膜電極より高い物質分解性能を効率的に、かつ長期間安定して得ることができるという効果を奏する。
【００４５】
さらに放電によって発生したオゾンが、光触媒モジュール６で処理できなかった有害物質と化学反応することによって分解除去される。このオゾンの酸化力によって光触媒反応装置の分解効率が促進されるという効果を奏する。
【００４６】
なお高圧電源部８が直流電源のように電極が極性をもつ場合、有害物質の流入方向はその電極の正極側、負極側のどちらからでもよく、同じ効果が得られる。
【００４７】
＜第２の実施形態＞
図３は図１（図２）に示された単位構造体２を複数積層したものである。
【００４８】
図３の光触媒反応装置１Ｂは、４つの単位構造体２とそれらを収納する筐体７と高圧電源部８とから構成されている。単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、ハニカム電極５はそれぞれ高圧電源部８に接続されている。
【００４９】
本実施形態では４つの単位構造体２を並べることによって隣接する電極を、各単位構造体２間で共有する状態となっている。電極を交互に配置することによって電極両面が発光することになり、効果的に放電光を得ることができる。
【００５０】
なおハニカム電極５の構成、構造および電極に用いられる材質、光触媒モジュール６の構造およびモジュールに用いられる半導体微粒子の材質、および高圧電源部８は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００５１】
以上図３の構成において、高圧電源部８からハニカム電極５に高電圧が印加されると、ハニカム電極５は放電を開始し、この放電により発生した放電光（紫外線）は光触媒モジュール６に均一に照射され、光触媒を活性化させる。この活性化した光触媒は化学的に反応性に富んだヒドロキシラジカル（・OH）を生成し、さらに放電光によってオゾンが生成される。これら活性化学種のヒドロキシラジカル、オゾンと化学反応することによって単位構造体２に流入する有害物質は分解除去される。
【００５２】
この第２の実施形態で、ハニカム電極５が第１の実施形態と同様の耐食性、および機械的精度、強度を持つことで同様の効果を得るとともに、４つの単位構造体を積層することにより、第１の実施形態と比較して４倍の物質分解性能を得ることができるという効果を奏する。
【００５３】
また第１の実施形態よりも電極が多くなった分、放電によって発生したオゾンも多くなるため、第１の実施形態と比較してオゾンの酸化力による有害物質の分解効率もさらに促進されるという効果を奏する。
【００５４】
＜第３の実施形態＞
図４は図１（図２）の光触媒反応装置１（１Ａ）にオゾン分解触媒９を付加したものである。
【００５５】
図４の光触媒反応装置１Ｃは、単位構造体２とオゾン分解触媒９とを収納した筐体７と高圧電源部８とから構成されている。
【００５６】
単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、一対のハニカム電極５は高圧電源部８に接続されている。またオゾン分解触媒９は単位構造体２より、気体の流入方向に対して下流側に配置される。
【００５７】
なおハニカム電極５の構成、構造および電極に用いられる材質、光触媒モジュール６の構造およびモジュールに用いられる半導体微粒子の材質、および高圧電源部８は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００５８】
第１の実施形態や第２の実施形態において、放電光によって発生したオゾンはその酸化力で有害物質を分解除去するが、有害物質と反応しなかったオゾンは、そのまま放出されてしまう。しかし、オゾンは通常大気中にそのまま放出すると人体にとって有害なため、場合によっては分解しなければならない。オゾン分解触媒９はそうした未反応のオゾンを無害な酸素に分解処理する。
【００５９】
またオゾンを分解する方法としては、使用状況によって様々なものが考えられるが、代表的なものとして、活性炭吸着分解法、加熱分解法、接触分解法、水洗法、薬液洗浄法（アルカリ洗浄法）、薬液還元法等が上げられる。
【００６０】
以上図４の構成において、高圧電源部８からハニカム電極５に高電圧が印加されると、ハニカム電極５は放電を開始し、この放電により発生した放電光（紫外線）は光触媒モジュール６に均一に照射され、光触媒を活性化させる。この活性化した光触媒は化学的に反応性に富んだヒドロキシラジカル（・OH）を生成し、さらに放電光によってオゾンが生成される。これら活性化学種のヒドロキシラジカル、オゾンと化学反応することによって単位構造体２に流入する有害物質は分解除去される。またオゾン分解触媒９で未反応のオゾンは無害な酸素に分解処理される。
【００６１】
この第３の実施形態では、第1の実施形態と同様の物質分解性能を得ることができる。さらにオゾン分解触媒９で有害物質と反応しなかったオゾンを分解処理することにより、大気中に人体に有害なオゾンを放出しないようにすることができるという効果を奏する。
【００６２】
なお本実施形態では、オゾン分解触媒９は最下流部に１つ設置したが、排オゾンを効率的に除去できるものであれば、特に配置位置および数を限定するものではない。
【００６３】
＜第４の実施形態＞
図５は図３の光触媒反応装置１Ｂにオゾン分解触媒９を付加したものである。
【００６４】
図５の光触媒反応装置１Ｄは、４つの単位構造体２とオゾン分解触媒９とを収納した筐体７と高圧電源部８とから構成されている。単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、ハニカム電極５はそれぞれ高圧電源部８に接続されている。またオゾン分解触媒９は単位構造体２より、気体の流入方向に対して下流側に配置される。
【００６５】
なお単位構造体２の構成、ハニカム電極５の構成、構造および電極に用いられる材質、光触媒モジュール６の構造およびモジュールに用いられる半導体微粒子の材質、および高圧電源部８は、第２の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００６６】
以上図５の構成において、高圧電源部８からハニカム電極５に高電圧が印加されると、ハニカム電極５は放電を開始し、この放電により発生した放電光（紫外線）は光触媒モジュール６に均一に照射され、光触媒を活性化させる。この活性化した光触媒は化学的に反応性に富んだヒドロキシラジカル（・OH）を生成し、さらに放電光によってオゾンが生成される。これら活性化学種のヒドロキシラジカル、オゾンと化学反応することによって単位構造体２に流入する有害物質は分解除去される。またオゾン分解触媒９で未反応のオゾンは無害な酸素に分解処理される。
【００６７】
この第４の実施形態では、第２の実施形態と同様の物質分解性能を得ることができる。さらにオゾン分解触媒９で有害物質と反応しなかったオゾンを分解処理することにより、大気中に人体に有害なオゾンを放出しないようにすることができるという効果を奏する。
【００６８】
なお本実施形態では、オゾン分解触媒９は最下流部に１つ設置したが、排オゾンを効率的に除去できるものであれば、特に配置位置および数を限定するものではない。
【００６９】
＜第５の実施形態＞
図６は図１（図２）の光触媒反応装置１（１Ａ）に送風機１０を付加したものである。
【００７０】
図６の光触媒反応装置１Ｅは、単位構造体２と送風機１０と、それらを収納する筐体７と高圧電源部８とから構成されている。単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、一対のハニカム電極５は高圧電源部８に接続されている。
【００７１】
単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、一対のハニカム電極５は高圧電源部８に接続されている。また送風機１０は気体流入部に設置されている。
【００７２】
なおハニカム電極５の構成、構造および電極に用いられる材質、光触媒モジュール６の構造およびモジュールに用いられる半導体微粒子の材質、および高圧電源部８は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００７３】
送風機１０は有害物質を含む気体の流速が遅い場合や、気流の強制循環を必要とする場合に使用される。自然対流によって気体の循環を行っている場合は、状況によっては対流が止まる場合が考えられる。その際、送風機１０を使用することで強制的に対流を起し、ある程度の流速を確保する。
【００７４】
設置場所は気体流入部または気体排出部が上げられるが、特に装置の出入り口に限定するものではない。単位構造体２を複数積層した場合、各単位構造体の間や、装置の設置環境によっては放電電極と光触媒モジュール６の間や、オゾン分解触媒の前に設置してもよい。
【００７５】
以上図６の構成において、送風機１０によって有害物質を含む流体は強制的に筐体７へ送り込まれる。また高圧電源部８からハニカム電極５に高電圧が印加されると、ハニカム電極５は放電を開始し、この放電により発生した放電光（紫外線）は光触媒モジュール６に均一に照射され、光触媒を活性化させる。この活性化した光触媒は化学的に反応性に富んだヒドロキシラジカル（・OH）を生成し、さらに放電光によってオゾンが生成される。これら活性化学種のヒドロキシラジカル、オゾンと化学反応することによって単位構造体２に流入する有害物質は分解除去される。
【００７６】
この第５の実施形態では、第１の実施形態と同様の物質分解性能を得ることができる。さらに送風機を利用することにより、ある程度の流速を確保することができ、一定の処理能力を断続して得ることが可能となり、本実施形態の光触媒反応装置１Ｅの物質分解性能を長期間維持させるという効果を奏する。
【００７７】
＜第６の実施形態＞
図７は図６の光触媒反応装置１Ｅにフィルター１１を付加したものである。
【００７８】
図７の光触媒反応装置１Ｆは、単位構造体２と送風機１０とフィルター１１と、それらを収納する筐体７と高圧電源部８とから構成されている。単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、高圧電源部８に接続されている。
【００７９】
単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、一対のハニカム電極５は高圧電源部８に接続されている。また送風機１０は気体流入部に設置され、フィルター１１は送風機１０の流入側に設置されている。
【００８０】
なおハニカム電極５の構成、構造および電極に用いられる材質、光触媒モジュール６の構造およびモジュールに用いられる半導体微粒子の材質、および高圧電源部８は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００８１】
埃や塵の多い環境での使用は、光触媒モジュール６やハニカム電極５の目詰まりや破損を引き起こす可能性が十分に考えられる。埃や塵といった電極や光触媒を覆うことでそれらの性能を低下させるものや機能を阻害するもの、本実施形態では分解処理できないものをまずフィルター１１を用いて取り除き、継続して安定した物質分解性能を確保する。
【００８２】
以上図７の構成において、フィルター１１によって塵や埃等を除去された有害物質を含む流体は、送風機１０によって強制的に筐体７へ送り込まれる。また高圧電源部８からハニカム電極５に高電圧が印加されると、ハニカム電極５は放電を開始し、この放電により発生した放電光（紫外線）は光触媒モジュール６に均一に照射され、光触媒を活性化させる。この活性化した光触媒は化学的に反応性に富んだヒドロキシラジカル（・OH）を生成し、さらに放電光によってオゾンが生成される。これら活性化学種のヒドロキシラジカル、オゾンと化学反応することによって単位構造体２に流入する有害物質は分解除去される。
【００８３】
この第６の実施形態では、第１の実施形態と同様の物質分解性能を得ることができる。さらにフィルター１１を用いて予め有害物質中の本願発明では分解できないものを取り除くことによって、物質分解性能を安定して確保することが可能となり、本実施形態の光触媒反応装置１Ｆの物質分解性能を長期間維持させるという効果を奏する。
【００８４】
＜他の構成例＞
ここまではハニカム電極を用いた例を示したが、本願発明はこれらの例に限定されるものではない。
【００８５】
図２や図４において、片方の電極に従来の薄膜状電極を用いることは可能であり、また、図３や図５において、交互に違う形状の電極を用いることも可能である。
【００８６】
また、請求項１に記載のハニカム状の電極、格子状の電極、網目状の電極を使用する場合、正極、負極の電極に同じ物を使用する必要はなく、片方はハニカム状の電極、片方は格子状の電極といった組み合わせも考えられる。
【００８７】
さらに正極、負極の電極にセルサイズの異なる物を用いることも使用法として考えられる。例えば、正極はセルサイズ５ｍｍのハニカム状の電極、負極はセルサイズ１０ｍｍの格子状の電極といった組み合わせも可能である。
【００８８】
一方、図７のフィルター１１以外に他種の触媒や吸着材といった特定物質を取り除くような物をさらに組み合わせて使用することも考えられる。ある特定物質を他の触媒や吸着材で除去し、残存物質を本願発明で分解除去する場合や、本願発明で分解除去できなかった残存物質を、他の触媒や吸着材で取り除くというような場合も、使用方法としては十分に考えられる。本願発明の性能を向上させる手段として有効である。
【００８９】
本願発明の用途としては、図２や図３の光触媒反応装置では、産業用の排ガス処理機や空気清浄器等が想定される。また、図４や図５の光触媒反応装置では、室内用エアコン、車載用エアコン、掃除機、冷蔵庫等に組み込まれることが想定される。さらに図６の場合においては、自然対流の冷蔵庫等に組み込まれることが想定され、図７の場合においては、室内用空気清浄器（この場合オゾン分解触媒付きで用いられる）や分煙機等が想定される。
【００９０】
【実施例】
＜ハニカム電極の説明＞
ここで請求項１および請求項２に記載の放電電極、特にハニカム電極の特性を検証するために行った試験結果について述べる。なお比較試験は図１に示す単位構造体２を用いて行った。
【００９１】
＜従来品との性能比較＞
（１）電極構造の違いによる発光強度の比較
光触媒を用いて高い物質分解性能を得るためには、光触媒を活性化するために強い放電光（紫外線、波長３８０ｎｍ以下）を発生する光源が必要である。放電は電界が強いほど生じ易くなり、電界は電極の形状に大きく依存することが知られている。
【００９２】
図８は同一電源（入力エネルギーが同じ）を使用し、同一面積における放電光の発光強度を比較したものである。図８から分かる通り、本願発明品は従来型に比べ１．５倍から２倍程度の強い放電光を発生した。つまり、同一の電力で、１．５倍から２倍程度高い物質分解性能を得ることができた。
【００９３】
（２）電極構造の違いによる発光強度の分布比較
図９および図１０は同一電源（入力エネルギーが同じ）を使用し、同一面積における放電光の発光強度を面内の分布として示したものである。
【００９４】
図９では電極の周辺部では光触媒を活性化させるために必要十分な発光強度を得たが、中央部では光触媒を活性化させるほどの発光強度は得られていなかった。この様にばらつきが生じるため、十分な触媒効果を得ることができなかった。
【００９５】
逆に図１０では、電極全面に渡って均一な発光強度が得られた。そのため従来品に比べて、安定した触媒効果が期待でき、高い物質分解性能を得ることができた。
【００９６】
＜セルの形状について＞
（１）セルサイズの違いによる性能比較
ハニカム形状の電極を用いた場合、ハニカムのセルサイズ１２（桝目の大きさ（図１１））の違いにより、放電光の発光強度に違いを生じる。図１２はセルサイズ１２と発光強度の関係を示したものである。セルサイズ１２が５ｍｍ以上になると急激に放電光の発光強度が増加し、高い物質分解性能を得ることができた。
【００９７】
（２）箔の厚さの違いによる性能比較
ハニカム電極５を用いた場合、ハニカムを構成する金属箔の厚さの違いにより、放電光の発光強度に違いを生じる。図１３は箔厚１３と発光強度の関係を示したものである。箔厚１３が０．１〜０．２ｍｍであると急激に放電光の強さが増加し、高い物質分解性能を得ることができた。
【００９８】
＜放電光の到達距離＞
光触媒を用い高い物質分解性能を得るためには、光触媒を活性化させる放電光を触媒面に均一に、かつ光触媒の内部まで照射する必要がある。図１４は光触媒モジュール６の表面に放電光を照射したときの発光強度と到達距離の関係を示したものである。
【００９９】
一般に光触媒の活性化に必要な発光強度は１０−６Ｗ／ｃｍ２とされている。図１４から明らかなように、１５ｍｍより厚い部分については、光触媒を活性化させるほどの放電光が到達していないことが分かった。よって光触媒を挟持する本願発明の構成では、光触媒モジュール６の厚さは１５ｍｍ以下にすることで、光触媒全体に渡って高い物質分解性能を得ることができた。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したように 本願発明によれば、請求項１中に記載した放電電極では、ハニカム電極は導電性外枠で覆われることにより、また奥行き幅を持つことにより従来の薄膜電極より耐食性が向上するため、電極全面に安定した均一の放電光を長期にわたり得ることができる。
【０１０１】
また機械的精度、強度を十分確保できるため、電極間の距離を長期にわたり一定に保つことができるので、放電光を均一に、かつ効果的に光触媒モジュールに照射することができ、従来の薄膜電極より高い物質分解性能を効率的に、かつ長期間安定して得ることができる。
【０１０２】
また、この放電電極を用いて、有害物資を含んだ流体中で放電を行うことによって、放電光は光触媒を励起させ活性化学種（ヒドロキシラジカル）を生成し、光触媒モジュール表面において有害物質と活性化学種を化学反応させることによって有害物質を除去することができる。
【０１０３】
また、この放電電極を用いた単位構造体を複数積層することによって、より高い物質分解性能を継続して、かつ安定して得ることができる。
【０１０４】
さらに放電によって生じた活性化学種のうちオゾンは、光触媒モジュール表面および放電電極表面において有害物質と反応することによって、光触媒モジュールで処理できなかった有害物質を確実に処理し、光触媒反応装置の処理効率を向上することができる。
【０１０５】
また請求項４では、オゾン分解触媒で有害物質と反応しなかったオゾンを分解処理することにより、人体に有害なオゾンを大気中に放出しないようにすることができる。
【０１０６】
また請求項５では、送風機を利用することにより、装置内である程度の流速を確保することができ、一定の処理能力を断続して得ることが可能となり、光触媒反応装置の性能を長期間維持させる手段として有効である。
【０１０７】
また請求項６では、フィルターを用いて予め有害物質中の本願発明では分解できないものを取り除くことによって、物質分解性能を安定して確保することが可能となり、光触媒反応装置の性能を長期間維持させる手段として有効である。
【０１０８】
また請求項７では、高周波交流電源を間欠動作させることによって、電力を効率的に投入することができ、連続動作の場合より低電力で放電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】導電性外枠とハニカム電極と光触媒モジュールと、それらを収納する筐体から構成される光触媒反応装置を示す図である。
【図２】図1の光触媒反応装置と高圧電源部から構成される光触媒反応装置の模式図である。
【図３】複数積層した単位構造体と高圧電源部から構成される光触媒反応装置の模式図である。
【図４】単位構造体と高圧電源部とオゾン分解触媒から構成される光触媒反応装置の模式図である。
【図５】複数積層した単位構造体と高圧電源部とオゾン分解触媒から構成される光触媒反応装置の模式図である。
【図６】単位構造体と高圧電源部と送風機から構成される光触媒反応装置の模式図である。
【図７】単位構造体と高圧電源部と送風機とフィルターから構成される光触媒反応装置の模式図である。
【図８】電極の構造の違いによる発光強度の差を示す図である。
【図９】従来型の薄膜電極の発光強度の分布を示す図である。
【図１０】ハニカム電極の発光強度の分布を示す図である。
【図１１】セルサイズと箔厚の説明図である。
【図１２】セルサイズと発光強度の関係を示す図である。
【図１３】箔厚と発光強度の関係を示す図である。
【図１４】放電光の到達距離（光触媒モジュールの厚さ）とその発光強度の関係を示す図である。
【図１５】従来の電極と光触媒を利用した光触媒反応装置の模式図である。
【符号の説明】
１ 光触媒反応装置
２ 単位構造体
３ 電極本体
４ 導電性外枠
５ ハニカム電極
６ 光触媒モジュール
７ 筐体
８ 高圧電源部
９ オゾン分解触媒
１０ 送風機
１１ フィルター
１２ セルサイズ
１３ 箔厚
１０１ 光触媒反応装置
１０２ 筐体
１０３ 光触媒
１０４ 電極
１０５ 高圧電源部
【発明の属する技術分野】
本発明は、効果的、かつ安定的に放電する立体形状の放電電極と、その電極からの放電光（紫外線）と光触媒との関係を利用して、効率的に、かつ安定して物質を除去することのできる光触媒反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気中に含まれるダイオキシン類やNOx等の有害物質、汚水中の有害物質等による環境汚染が社会問題となっているのは周知の事実であり、これらの有害物質を効果的に取り除く手法の研究・開発が盛んに行われている。また近年では冷蔵庫内の腐敗ガスであるエチレンガス、シックハウス症候群の原因と言われるホルムアルデヒド、トルエン、キシレン、パラジクロロベンゼン、室内や車内のたばこ臭等、密閉された空間内の有害物質対策が問題となっている。
【０００３】
従来、上述した有害物質を取り除く手法の一例として、放電を用いた放電処理装置によるものや、光触媒を用いた光触媒反応装置によるものが知られている。
【０００４】
図１５は従来の光触媒反応装置の一例を示している。
【０００５】
この光触媒反応装置１０１は、図１５に示すように筐体１０２内に収納され、酸化チタンを担持する光触媒１０３と、この光触媒を挟んで対向配置された一対の薄膜状の電極１０４と、電極１０４に高電圧を印加させる高圧電源部１０５とを備え、電極１０４に印加された高電圧によって両電極１０４間に放電を発生させ、この放電によって発生した紫外線によって光触媒１０３（酸化チタンTiO2）を活性化させ、ガス中に含まれる有害物質を取り除く。このとき、電極１０４の放電により発生した紫外線によって活性化した光触媒１０３はヒドロキシラジカル（・OH）とスーパーオキサイドアニオン（・O２ −）を生成するが、そのうちのヒドロキシラジカルは強い酸化力があり、各物質の分子結合を分断することができる。このヒドロキシラジカルの酸化力を利用し、有害物質を化学反応により除去する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電極の放電光を利用した光触媒反応装置には以下のような問題があった。
【０００７】
従来使用されていた電極１０４は薄膜状であるために、有害物質のうち腐食性ガス、例えば硫化水素，亜硫酸，亜硝酸，塩素，アンモニア等の物質に対しては、電極が腐食されてしまい、耐久性に乏しかった。
【０００８】
また電極がいったん腐食されてしまうと、その腐食された部分では放電が行われなくなってしまい、電極全体で均一な放電光を発生させることができなくなっていた。腐食された部分が広がれば導通が遮断されてしまう部分が発生し、電極のある一部では光触媒を活性化させる程度の放電光を照射することができたが、他の部分では光触媒を活性化させるほどの放電光を照射することができないといったような“ムラ”を生じ、期待するような触媒効果を得ることができなかった。
【０００９】
さらに両電極１０４は薄膜状であるために、設置に関して不安定さがあった。触媒効果を効率的に得るためには、両電極１０４を平行状態に保つことが必要であるが、取り付け方法や流入する有害物質の状態、例えば流速が非常に早い場合や塵や埃等を多く含む場合には、設置場所のずれや電極の変形や破損等が起き、放電光を光触媒に安定して照射できない場合があった。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、効果的、かつ安定的に放電する立体形状の放電電極と、その放電電極からの放電光と光触媒との関係を利用して効率的に、かつ安定して有害物質を除去することのできる光触媒反応装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本願発明は、請求項１では、光触媒反応による脱臭、およびガス浄化を行う装置において、光触媒を三次元網目構造のセラミック基体に担持した少なくとも１つの光触媒モジュールと、該光触媒モジュールを挟持する一対の電極のうち少なくとも一方が、箔厚が１ｍｍ以下の導電性の箔によって正面および背面形状が配置間隔（セルサイズ）が５ｍｍ以上のハニカム状、または格子状に形成され、かつ正面から背面方向に所定の奥行き幅を有する電極本体と、前記電極本体の側面を覆う導電性の外枠とから構成される立体形状の放電電極である放電電極部とから構成されることを特徴としている。
【００１４】
請求項２では、請求項１に記載の光触媒反応装置において、光触媒モジュールの厚さは、光触媒の活性化に必要な１０−６Ｗ／ｃｍ２以上の発光強度をもつ放電光が、光触媒全体に渡って到達する距離以下であることを特徴としている。
【００１５】
請求項３では、請求項１に記載の光触媒反応装置において、前記光触媒モジュールと前記放電電極部とからなる単位構造体を複数個積層してなることを特徴としている。
【００１６】
請求項４では、請求項１または請求項３に記載の光触媒反応装置において、オゾン分解触媒部を具備していることを特徴としている。
【００１７】
請求項５では、請求項１乃至請求項４いずれか１項に記載の光触媒反応装置において、送風機を具備していることを特徴としている。
【００１８】
請求項６では、請求項１乃至請求項５いずれか１項に記載の光触媒反応装置において、気体流入部に除塵用のフィルターを具備していることを特徴としている。
【００１９】
請求項７では、 請求項１乃至請求項６いずれか１項に記載の光触媒反応装置において、１０ｋＨｚ以上の高周波交流電源を間欠動作させる高圧電源部を具備していることを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本願発明である光触媒反応装置について、図１から図７に基づき説明する。
【００２１】
＜第１の実施形態＞
まず図１および図２に基づき本願発明の光触媒反応装置の最小構成単位について説明する。図２は図１の光触媒反応装置の模式図である。
【００２２】
図１において光触媒反応装置１（図２中、光触媒反応装置１Ａ）は、単位構造体２とそれを収納する筐体７とから構成されている。筐体７は筒状の構造をしており、有害物質を含む気体が通過できるように流入口と排出口を有している。単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、一対のハニカム電極５は図示しない高圧電源部（図２中、高圧電源部８）に接続されている。
【００２３】
ハニカム電極５は、立体形状の電極であって、導電性の箔でハニカム状に形成され、正面および背面から見た形状がハニカム状になっている電極本体３と導電性外枠４とから構成され、正面から奥行き方向にかけてハニカム状に貫通しており、有害物質を含む気体が通過できるようになっている。電極本体３の側面は導電性外枠４で覆われており、電極の正面から背面方向に所定の奥行き幅を有している。
【００２４】
図２において、ハニカム電極５は高圧電源部８から供給される電力によって放電を行う。このハニカム電極５を構成する電極本体３と導電性外枠４には、硫化水素等の腐食性ガスに対して耐性のあるステンレスが用いられる。
【００２５】
放電によって発生した放電光のうち、１８５ｎｍの波長を持つ紫外線は大気中の酸素からオゾンを生成してしまう。オゾンは脱臭、脱色、殺菌、減菌作用を持ち、硫化水素やアンモニアのような有害物質を分解除去することもできるが、同時にその強い酸化力のために電極の金属も酸化してしまう。
【００２６】
また有害物質のうち腐食性ガス、例えば硫化水素，亜硫酸，亜硝酸，塩素，アンモニア等の物質によっても、電極は腐食されてしまうので、電極に用いられる金属には、耐食性のあるものや耐食性のコーティング処理を施したものが選定される必要がある。
【００２７】
電極本体３と導電性外枠４に用いられる材質には、ステンレスの他にもアルミニウム、銅等の金属にコーティング処理を施したものや、ハステロイ、白金、金等の耐食性の強い金属（合金）が上げられる。
【００２８】
なお、このハニカム電極５の場合、セルサイズが５ｍｍ以上であり、箔厚が１ｍｍ以下、望ましくは０．１から０．２ｍｍであることが必要とされる（その理由については後述）。
【００２９】
ハニカム電極５に挟持される光触媒モジュール６は、三次元網目構造のセラミック基体であり、基体表面に光触媒作用をもつ半導体TiO2の微粒子を担持している。また光触媒モジュール６の厚さは１５ｍｍ以下であることが必要とされる（その理由については後述）。
【００３０】
光触媒作用をもつ半導体微粒子には様々なものが上げられる。光触媒作用をもつ代表的な半導体は酸化チタンTiO2（anatase型,rutile型,brookite型）であるが、その他にもSrTiO3,ZnO,BaTiO3,V2O5,SnO2等の金属酸化物半導体や、Si,GaAs,CdS,ZnS等の単体半導体や化合物半導体が上げられる。
【００３１】
ハニカム電極５に電力を供給する高圧電源部８は設置環境によって様々な種類が考えられる。直流電源、Duty比０．５以下の短パルスを出力するパルス電源、周波数１０ｋＨｚ以上の交流電源等が上げられる。また各種類の高圧電源に波高値の５０〜９０％に相当する直流バイアスを重畳したり、間欠動作したりする機能を付加してもよい。
【００３２】
本願発明において高圧電源部８に直流電源を用いた場合、電源部構成が単純で済み装置コストを低く抑えることができる。また直流放電の場合、放電に伴う動作音が極めて小さく、静寂な動作が要求される場合では好ましい。
【００３３】
またパルス電源を用いた場合、直流動作に比べ大きなエネルギー投入を容易に行うことができ、装置の小型化が可能である。電源部構成が単純で済み装置コストを低く抑えることもできる。また直流放電に比べ投入エネルギーを大きくすることが容易であり、低価格、中規模の装置を構成する場合では好ましい。
【００３４】
また周波数１０ｋＨｚ以上の高周波交流電源を用いた場合、動作周波数の増加に伴い、投入エネルギーを増大することが可能であり、大きなエネルギー投入ができる。大容量の脱臭処理や高濃度の対象に対応する場合は有効な手法となる。
【００３５】
さらに直流バイアスを重畳した場合、パルス電源などを単独で用いる場合に比べパルス電圧を低減することができ、電源装置を小型化することができる。また、放電発生の元となる偶存電子の個数が安定するため、スパーク移行電圧のばらつきが少なくなり、安定動作が確保できる。
【００３６】
図１から図７の光触媒反応装置において、パルス電源あるいは交流電源を用いた場合、１パルスあたり、あるいは１周期あたりの放電入力エネルギーはガス組成、電極形状、電極間隔などの放電部パラメータにより一意的に定まってしまう。
【００３７】
１パルスまたは１周期あたりの放電入力エネルギーがＥ[Ｊ]で、繰返し周期がｒ[ｐｐｓ]または[Ｈｚ]ならば、投入電力はＥ×ｒ[Ｗ]で定義されるが、これを繰り返し数または周期によらず一定にするため、間欠動作を行う。
【００３８】
間欠動作に対する動作・非動作の比(変調度)は、必要となる投入電力をＰ、１パルス(周期)あたりの投入エネルギーがＥ、繰り返し数がＦなら、変調度は、
Ｐ／（Ｅ×Ｆ）
で示される。
【００３９】
投入電力１０[Ｗ]、１パルスあたりの投入エネルギーが５０[ｍＪ]、繰り返し数が２０[ｋＨｚ]なら、変調度は、
【数１】
１０／（５０×１０−３×２０×１０３）＝０．０１
となる。この場合、１秒あたり１０ミリ秒間だけ動作するようなモードが必要になる。
【００４０】
この動作モードは「１秒あたり１０ミリ秒動作」に限定されるものではなく、例えば「２秒に１度２０ミリ秒動作」や「１秒に２度５ミリ秒動作」等でもよい。
【００４１】
また直流電源を用いた場合も、投入電力は放電部パラメータによりほぼ一意的に決まるため、間欠動作を行うことにより、電圧を変化させることなく連続動作の場合よりも低電力で動作させることができる。
【００４２】
以上図１（図２）の構成において、高圧電源部８からハニカム電極５に高電圧が印加されると、ハニカム電極５は放電を開始し、この放電により発生した放電光（紫外線）は光触媒モジュール６に均一に照射され、光触媒を活性化させる。この活性化した光触媒は化学的に反応性に富んだヒドロキシラジカル（・OH）を生成し、さらに放電光によってオゾンが生成される。これら活性化学種のヒドロキシラジカル、オゾンと化学反応することによって単位構造体２に流入する有害物質は分解除去される。
【００４３】
この第１の実施形態では、ハニカム電極５は導電性外枠４で覆われることにより、また奥行き幅を持つことで従来の薄膜電極より耐食性が向上するため、電極全面に安定した均一の放電光を長期にわたり得ることができるという効果を奏する。
【００４４】
また機械的精度、強度を十分確保できるため、電極間の距離を長期にわたり一定に保つことができるので、放電光を均一に、かつ効果的に光触媒モジュール６に照射することができ、従来の薄膜電極より高い物質分解性能を効率的に、かつ長期間安定して得ることができるという効果を奏する。
【００４５】
さらに放電によって発生したオゾンが、光触媒モジュール６で処理できなかった有害物質と化学反応することによって分解除去される。このオゾンの酸化力によって光触媒反応装置の分解効率が促進されるという効果を奏する。
【００４６】
なお高圧電源部８が直流電源のように電極が極性をもつ場合、有害物質の流入方向はその電極の正極側、負極側のどちらからでもよく、同じ効果が得られる。
【００４７】
＜第２の実施形態＞
図３は図１（図２）に示された単位構造体２を複数積層したものである。
【００４８】
図３の光触媒反応装置１Ｂは、４つの単位構造体２とそれらを収納する筐体７と高圧電源部８とから構成されている。単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、ハニカム電極５はそれぞれ高圧電源部８に接続されている。
【００４９】
本実施形態では４つの単位構造体２を並べることによって隣接する電極を、各単位構造体２間で共有する状態となっている。電極を交互に配置することによって電極両面が発光することになり、効果的に放電光を得ることができる。
【００５０】
なおハニカム電極５の構成、構造および電極に用いられる材質、光触媒モジュール６の構造およびモジュールに用いられる半導体微粒子の材質、および高圧電源部８は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００５１】
以上図３の構成において、高圧電源部８からハニカム電極５に高電圧が印加されると、ハニカム電極５は放電を開始し、この放電により発生した放電光（紫外線）は光触媒モジュール６に均一に照射され、光触媒を活性化させる。この活性化した光触媒は化学的に反応性に富んだヒドロキシラジカル（・OH）を生成し、さらに放電光によってオゾンが生成される。これら活性化学種のヒドロキシラジカル、オゾンと化学反応することによって単位構造体２に流入する有害物質は分解除去される。
【００５２】
この第２の実施形態で、ハニカム電極５が第１の実施形態と同様の耐食性、および機械的精度、強度を持つことで同様の効果を得るとともに、４つの単位構造体を積層することにより、第１の実施形態と比較して４倍の物質分解性能を得ることができるという効果を奏する。
【００５３】
また第１の実施形態よりも電極が多くなった分、放電によって発生したオゾンも多くなるため、第１の実施形態と比較してオゾンの酸化力による有害物質の分解効率もさらに促進されるという効果を奏する。
【００５４】
＜第３の実施形態＞
図４は図１（図２）の光触媒反応装置１（１Ａ）にオゾン分解触媒９を付加したものである。
【００５５】
図４の光触媒反応装置１Ｃは、単位構造体２とオゾン分解触媒９とを収納した筐体７と高圧電源部８とから構成されている。
【００５６】
単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、一対のハニカム電極５は高圧電源部８に接続されている。またオゾン分解触媒９は単位構造体２より、気体の流入方向に対して下流側に配置される。
【００５７】
なおハニカム電極５の構成、構造および電極に用いられる材質、光触媒モジュール６の構造およびモジュールに用いられる半導体微粒子の材質、および高圧電源部８は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００５８】
第１の実施形態や第２の実施形態において、放電光によって発生したオゾンはその酸化力で有害物質を分解除去するが、有害物質と反応しなかったオゾンは、そのまま放出されてしまう。しかし、オゾンは通常大気中にそのまま放出すると人体にとって有害なため、場合によっては分解しなければならない。オゾン分解触媒９はそうした未反応のオゾンを無害な酸素に分解処理する。
【００５９】
またオゾンを分解する方法としては、使用状況によって様々なものが考えられるが、代表的なものとして、活性炭吸着分解法、加熱分解法、接触分解法、水洗法、薬液洗浄法（アルカリ洗浄法）、薬液還元法等が上げられる。
【００６０】
以上図４の構成において、高圧電源部８からハニカム電極５に高電圧が印加されると、ハニカム電極５は放電を開始し、この放電により発生した放電光（紫外線）は光触媒モジュール６に均一に照射され、光触媒を活性化させる。この活性化した光触媒は化学的に反応性に富んだヒドロキシラジカル（・OH）を生成し、さらに放電光によってオゾンが生成される。これら活性化学種のヒドロキシラジカル、オゾンと化学反応することによって単位構造体２に流入する有害物質は分解除去される。またオゾン分解触媒９で未反応のオゾンは無害な酸素に分解処理される。
【００６１】
この第３の実施形態では、第1の実施形態と同様の物質分解性能を得ることができる。さらにオゾン分解触媒９で有害物質と反応しなかったオゾンを分解処理することにより、大気中に人体に有害なオゾンを放出しないようにすることができるという効果を奏する。
【００６２】
なお本実施形態では、オゾン分解触媒９は最下流部に１つ設置したが、排オゾンを効率的に除去できるものであれば、特に配置位置および数を限定するものではない。
【００６３】
＜第４の実施形態＞
図５は図３の光触媒反応装置１Ｂにオゾン分解触媒９を付加したものである。
【００６４】
図５の光触媒反応装置１Ｄは、４つの単位構造体２とオゾン分解触媒９とを収納した筐体７と高圧電源部８とから構成されている。単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、ハニカム電極５はそれぞれ高圧電源部８に接続されている。またオゾン分解触媒９は単位構造体２より、気体の流入方向に対して下流側に配置される。
【００６５】
なお単位構造体２の構成、ハニカム電極５の構成、構造および電極に用いられる材質、光触媒モジュール６の構造およびモジュールに用いられる半導体微粒子の材質、および高圧電源部８は、第２の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００６６】
以上図５の構成において、高圧電源部８からハニカム電極５に高電圧が印加されると、ハニカム電極５は放電を開始し、この放電により発生した放電光（紫外線）は光触媒モジュール６に均一に照射され、光触媒を活性化させる。この活性化した光触媒は化学的に反応性に富んだヒドロキシラジカル（・OH）を生成し、さらに放電光によってオゾンが生成される。これら活性化学種のヒドロキシラジカル、オゾンと化学反応することによって単位構造体２に流入する有害物質は分解除去される。またオゾン分解触媒９で未反応のオゾンは無害な酸素に分解処理される。
【００６７】
この第４の実施形態では、第２の実施形態と同様の物質分解性能を得ることができる。さらにオゾン分解触媒９で有害物質と反応しなかったオゾンを分解処理することにより、大気中に人体に有害なオゾンを放出しないようにすることができるという効果を奏する。
【００６８】
なお本実施形態では、オゾン分解触媒９は最下流部に１つ設置したが、排オゾンを効率的に除去できるものであれば、特に配置位置および数を限定するものではない。
【００６９】
＜第５の実施形態＞
図６は図１（図２）の光触媒反応装置１（１Ａ）に送風機１０を付加したものである。
【００７０】
図６の光触媒反応装置１Ｅは、単位構造体２と送風機１０と、それらを収納する筐体７と高圧電源部８とから構成されている。単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、一対のハニカム電極５は高圧電源部８に接続されている。
【００７１】
単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、一対のハニカム電極５は高圧電源部８に接続されている。また送風機１０は気体流入部に設置されている。
【００７２】
なおハニカム電極５の構成、構造および電極に用いられる材質、光触媒モジュール６の構造およびモジュールに用いられる半導体微粒子の材質、および高圧電源部８は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００７３】
送風機１０は有害物質を含む気体の流速が遅い場合や、気流の強制循環を必要とする場合に使用される。自然対流によって気体の循環を行っている場合は、状況によっては対流が止まる場合が考えられる。その際、送風機１０を使用することで強制的に対流を起し、ある程度の流速を確保する。
【００７４】
設置場所は気体流入部または気体排出部が上げられるが、特に装置の出入り口に限定するものではない。単位構造体２を複数積層した場合、各単位構造体の間や、装置の設置環境によっては放電電極と光触媒モジュール６の間や、オゾン分解触媒の前に設置してもよい。
【００７５】
以上図６の構成において、送風機１０によって有害物質を含む流体は強制的に筐体７へ送り込まれる。また高圧電源部８からハニカム電極５に高電圧が印加されると、ハニカム電極５は放電を開始し、この放電により発生した放電光（紫外線）は光触媒モジュール６に均一に照射され、光触媒を活性化させる。この活性化した光触媒は化学的に反応性に富んだヒドロキシラジカル（・OH）を生成し、さらに放電光によってオゾンが生成される。これら活性化学種のヒドロキシラジカル、オゾンと化学反応することによって単位構造体２に流入する有害物質は分解除去される。
【００７６】
この第５の実施形態では、第１の実施形態と同様の物質分解性能を得ることができる。さらに送風機を利用することにより、ある程度の流速を確保することができ、一定の処理能力を断続して得ることが可能となり、本実施形態の光触媒反応装置１Ｅの物質分解性能を長期間維持させるという効果を奏する。
【００７７】
＜第６の実施形態＞
図７は図６の光触媒反応装置１Ｅにフィルター１１を付加したものである。
【００７８】
図７の光触媒反応装置１Ｆは、単位構造体２と送風機１０とフィルター１１と、それらを収納する筐体７と高圧電源部８とから構成されている。単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、高圧電源部８に接続されている。
【００７９】
単位構造体２は一対のハニカム電極５とそれらに挟持される光触媒モジュール６とから構成され、一対のハニカム電極５は高圧電源部８に接続されている。また送風機１０は気体流入部に設置され、フィルター１１は送風機１０の流入側に設置されている。
【００８０】
なおハニカム電極５の構成、構造および電極に用いられる材質、光触媒モジュール６の構造およびモジュールに用いられる半導体微粒子の材質、および高圧電源部８は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００８１】
埃や塵の多い環境での使用は、光触媒モジュール６やハニカム電極５の目詰まりや破損を引き起こす可能性が十分に考えられる。埃や塵といった電極や光触媒を覆うことでそれらの性能を低下させるものや機能を阻害するもの、本実施形態では分解処理できないものをまずフィルター１１を用いて取り除き、継続して安定した物質分解性能を確保する。
【００８２】
以上図７の構成において、フィルター１１によって塵や埃等を除去された有害物質を含む流体は、送風機１０によって強制的に筐体７へ送り込まれる。また高圧電源部８からハニカム電極５に高電圧が印加されると、ハニカム電極５は放電を開始し、この放電により発生した放電光（紫外線）は光触媒モジュール６に均一に照射され、光触媒を活性化させる。この活性化した光触媒は化学的に反応性に富んだヒドロキシラジカル（・OH）を生成し、さらに放電光によってオゾンが生成される。これら活性化学種のヒドロキシラジカル、オゾンと化学反応することによって単位構造体２に流入する有害物質は分解除去される。
【００８３】
この第６の実施形態では、第１の実施形態と同様の物質分解性能を得ることができる。さらにフィルター１１を用いて予め有害物質中の本願発明では分解できないものを取り除くことによって、物質分解性能を安定して確保することが可能となり、本実施形態の光触媒反応装置１Ｆの物質分解性能を長期間維持させるという効果を奏する。
【００８４】
＜他の構成例＞
ここまではハニカム電極を用いた例を示したが、本願発明はこれらの例に限定されるものではない。
【００８５】
図２や図４において、片方の電極に従来の薄膜状電極を用いることは可能であり、また、図３や図５において、交互に違う形状の電極を用いることも可能である。
【００８６】
また、請求項１に記載のハニカム状の電極、格子状の電極、網目状の電極を使用する場合、正極、負極の電極に同じ物を使用する必要はなく、片方はハニカム状の電極、片方は格子状の電極といった組み合わせも考えられる。
【００８７】
さらに正極、負極の電極にセルサイズの異なる物を用いることも使用法として考えられる。例えば、正極はセルサイズ５ｍｍのハニカム状の電極、負極はセルサイズ１０ｍｍの格子状の電極といった組み合わせも可能である。
【００８８】
一方、図７のフィルター１１以外に他種の触媒や吸着材といった特定物質を取り除くような物をさらに組み合わせて使用することも考えられる。ある特定物質を他の触媒や吸着材で除去し、残存物質を本願発明で分解除去する場合や、本願発明で分解除去できなかった残存物質を、他の触媒や吸着材で取り除くというような場合も、使用方法としては十分に考えられる。本願発明の性能を向上させる手段として有効である。
【００８９】
本願発明の用途としては、図２や図３の光触媒反応装置では、産業用の排ガス処理機や空気清浄器等が想定される。また、図４や図５の光触媒反応装置では、室内用エアコン、車載用エアコン、掃除機、冷蔵庫等に組み込まれることが想定される。さらに図６の場合においては、自然対流の冷蔵庫等に組み込まれることが想定され、図７の場合においては、室内用空気清浄器（この場合オゾン分解触媒付きで用いられる）や分煙機等が想定される。
【００９０】
【実施例】
＜ハニカム電極の説明＞
ここで請求項１および請求項２に記載の放電電極、特にハニカム電極の特性を検証するために行った試験結果について述べる。なお比較試験は図１に示す単位構造体２を用いて行った。
【００９１】
＜従来品との性能比較＞
（１）電極構造の違いによる発光強度の比較
光触媒を用いて高い物質分解性能を得るためには、光触媒を活性化するために強い放電光（紫外線、波長３８０ｎｍ以下）を発生する光源が必要である。放電は電界が強いほど生じ易くなり、電界は電極の形状に大きく依存することが知られている。
【００９２】
図８は同一電源（入力エネルギーが同じ）を使用し、同一面積における放電光の発光強度を比較したものである。図８から分かる通り、本願発明品は従来型に比べ１．５倍から２倍程度の強い放電光を発生した。つまり、同一の電力で、１．５倍から２倍程度高い物質分解性能を得ることができた。
【００９３】
（２）電極構造の違いによる発光強度の分布比較
図９および図１０は同一電源（入力エネルギーが同じ）を使用し、同一面積における放電光の発光強度を面内の分布として示したものである。
【００９４】
図９では電極の周辺部では光触媒を活性化させるために必要十分な発光強度を得たが、中央部では光触媒を活性化させるほどの発光強度は得られていなかった。この様にばらつきが生じるため、十分な触媒効果を得ることができなかった。
【００９５】
逆に図１０では、電極全面に渡って均一な発光強度が得られた。そのため従来品に比べて、安定した触媒効果が期待でき、高い物質分解性能を得ることができた。
【００９６】
＜セルの形状について＞
（１）セルサイズの違いによる性能比較
ハニカム形状の電極を用いた場合、ハニカムのセルサイズ１２（桝目の大きさ（図１１））の違いにより、放電光の発光強度に違いを生じる。図１２はセルサイズ１２と発光強度の関係を示したものである。セルサイズ１２が５ｍｍ以上になると急激に放電光の発光強度が増加し、高い物質分解性能を得ることができた。
【００９７】
（２）箔の厚さの違いによる性能比較
ハニカム電極５を用いた場合、ハニカムを構成する金属箔の厚さの違いにより、放電光の発光強度に違いを生じる。図１３は箔厚１３と発光強度の関係を示したものである。箔厚１３が０．１〜０．２ｍｍであると急激に放電光の強さが増加し、高い物質分解性能を得ることができた。
【００９８】
＜放電光の到達距離＞
光触媒を用い高い物質分解性能を得るためには、光触媒を活性化させる放電光を触媒面に均一に、かつ光触媒の内部まで照射する必要がある。図１４は光触媒モジュール６の表面に放電光を照射したときの発光強度と到達距離の関係を示したものである。
【００９９】
一般に光触媒の活性化に必要な発光強度は１０−６Ｗ／ｃｍ２とされている。図１４から明らかなように、１５ｍｍより厚い部分については、光触媒を活性化させるほどの放電光が到達していないことが分かった。よって光触媒を挟持する本願発明の構成では、光触媒モジュール６の厚さは１５ｍｍ以下にすることで、光触媒全体に渡って高い物質分解性能を得ることができた。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したように 本願発明によれば、請求項１中に記載した放電電極では、ハニカム電極は導電性外枠で覆われることにより、また奥行き幅を持つことにより従来の薄膜電極より耐食性が向上するため、電極全面に安定した均一の放電光を長期にわたり得ることができる。
【０１０１】
また機械的精度、強度を十分確保できるため、電極間の距離を長期にわたり一定に保つことができるので、放電光を均一に、かつ効果的に光触媒モジュールに照射することができ、従来の薄膜電極より高い物質分解性能を効率的に、かつ長期間安定して得ることができる。
【０１０２】
また、この放電電極を用いて、有害物資を含んだ流体中で放電を行うことによって、放電光は光触媒を励起させ活性化学種（ヒドロキシラジカル）を生成し、光触媒モジュール表面において有害物質と活性化学種を化学反応させることによって有害物質を除去することができる。
【０１０３】
また、この放電電極を用いた単位構造体を複数積層することによって、より高い物質分解性能を継続して、かつ安定して得ることができる。
【０１０４】
さらに放電によって生じた活性化学種のうちオゾンは、光触媒モジュール表面および放電電極表面において有害物質と反応することによって、光触媒モジュールで処理できなかった有害物質を確実に処理し、光触媒反応装置の処理効率を向上することができる。
【０１０５】
また請求項４では、オゾン分解触媒で有害物質と反応しなかったオゾンを分解処理することにより、人体に有害なオゾンを大気中に放出しないようにすることができる。
【０１０６】
また請求項５では、送風機を利用することにより、装置内である程度の流速を確保することができ、一定の処理能力を断続して得ることが可能となり、光触媒反応装置の性能を長期間維持させる手段として有効である。
【０１０７】
また請求項６では、フィルターを用いて予め有害物質中の本願発明では分解できないものを取り除くことによって、物質分解性能を安定して確保することが可能となり、光触媒反応装置の性能を長期間維持させる手段として有効である。
【０１０８】
また請求項７では、高周波交流電源を間欠動作させることによって、電力を効率的に投入することができ、連続動作の場合より低電力で放電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】導電性外枠とハニカム電極と光触媒モジュールと、それらを収納する筐体から構成される光触媒反応装置を示す図である。
【図２】図1の光触媒反応装置と高圧電源部から構成される光触媒反応装置の模式図である。
【図３】複数積層した単位構造体と高圧電源部から構成される光触媒反応装置の模式図である。
【図４】単位構造体と高圧電源部とオゾン分解触媒から構成される光触媒反応装置の模式図である。
【図５】複数積層した単位構造体と高圧電源部とオゾン分解触媒から構成される光触媒反応装置の模式図である。
【図６】単位構造体と高圧電源部と送風機から構成される光触媒反応装置の模式図である。
【図７】単位構造体と高圧電源部と送風機とフィルターから構成される光触媒反応装置の模式図である。
【図８】電極の構造の違いによる発光強度の差を示す図である。
【図９】従来型の薄膜電極の発光強度の分布を示す図である。
【図１０】ハニカム電極の発光強度の分布を示す図である。
【図１１】セルサイズと箔厚の説明図である。
【図１２】セルサイズと発光強度の関係を示す図である。
【図１３】箔厚と発光強度の関係を示す図である。
【図１４】放電光の到達距離（光触媒モジュールの厚さ）とその発光強度の関係を示す図である。
【図１５】従来の電極と光触媒を利用した光触媒反応装置の模式図である。
【符号の説明】
１ 光触媒反応装置
２ 単位構造体
３ 電極本体
４ 導電性外枠
５ ハニカム電極
６ 光触媒モジュール
７ 筐体
８ 高圧電源部
９ オゾン分解触媒
１０ 送風機
１１ フィルター
１２ セルサイズ
１３ 箔厚
１０１ 光触媒反応装置
１０２ 筐体
１０３ 光触媒
１０４ 電極
１０５ 高圧電源部
Claims (7)
- 光触媒反応による脱臭、およびガス浄化を行う装置において、
光触媒を三次元網目構造のセラミック基体に担持した少なくとも１つの光触媒モジュールと、
該光触媒モジュールを挟持する一対の電極のうち少なくとも一方が、箔厚が１ｍｍ以下の導電性の箔によって正面および背面形状が配置間隔（セルサイズ）が５ｍｍ以上のハニカム状、または格子状に形成され、かつ正面から背面方向に所定の奥行き幅を有する電極本体と、前記電極本体の側面を覆う導電性の外枠とから構成される立体形状の放電電極である放電電極部と、
から構成されることを特徴とする光触媒反応装置。 - 請求項１に記載の光触媒反応装置において、前記光触媒モジュールの厚さは、光触媒の活性化に必要な１０−６Ｗ／ｃｍ２以上の発光強度をもつ放電光が、光触媒全体に渡って到達する距離以下であることを特徴とする光触媒反応装置。
- 請求項１に記載の光触媒反応装置において、前記光触媒モジュールと前記放電電極部とからなる単位構造体を複数個積層してなることを特徴とする光触媒反応装置。
- 請求項１または請求項３に記載の光触媒反応装置において、オゾン分解触媒部を具備していることを特徴とする光触媒反応装置。
- 請求項１乃至請求項４いずれか１項に記載の光触媒反応装置において、送風機を具備していることを特徴とする光触媒反応装置。
- 請求項１乃至請求項５いずれか１項に記載の光触媒反応装置において、気体流入部に除塵用のフィルターを具備していることを特徴とする光触媒反応装置。
- 請求項１乃至請求項６いずれか１項に記載の光触媒反応装置において、１０ｋＨｚ以上の高周波交流電源を間欠動作させる高圧電源部を具備していることを特徴とする光触媒反応装置。
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